一种钢铁表面双辉渗Cr后离子注Al制备的复合涂层及其方法

摘要

本发明涉及一种钢铁表面双辉渗Cr后离子注Al制备的复合涂层及其方法，属于钢铁表面改性领域。该涂层的制备技术分两步进行，首先采用双辉等离子表面冶金技术（简称双辉）渗Cr，然后采用离子注入技术注Al。采用该复合技术的目的在于发挥两种表面改性技术各自优势，并互相弥补不足，即利用双辉技术渗Cr所得涂层与基体结合力优异且合金元素呈梯度分布的优势，并采用离子注Al技术避免双辉技术渗Al易产生反溅射的现象，实现了合金元素能够按照预期设计分布。在钢铁表面制备的高性能复合涂层，可大幅度提高材料表面强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性和抗高温氧化性。

说明书

技术领域

本发明属于钢铁表面改性领域，具体涉及采用双辉等离子表面冶金技术渗Cr与离子注Al相结合，制备新型复合涂层。

背景技术

双辉等离子表面冶金技术是一种制备表面涂层的先进技术，其特征在于利用带电气体轰击源极（预渗金属），溅射出其表面的原子，这些原子在电场作用下高速向工件表面运动，吸附在工件表面，并在高温下扩散进入工件表面，形成包含溅射元素的合金层；同时带电粒子使工件表面活化，即产生大量空位等晶体缺陷，生成具有高位错密度和浓度梯度的结构，使沉积的原子加速向内扩散，确保生成合金层与基体间为冶金结合。

Cr是一种实际生产中公认的可有效改善钢铁性能的合金元素。添加该合金元素，不仅可提高钢铁力学性能（如：硬度、强度等），而且可显著改善钢铁的耐磨性与耐蚀性，同时铬与钢铁中的碳形成的铬碳化合物颗粒细小，可均匀分布在钢铁中，对于细化组织，提高材料的塑性和韧性是非常有益的。因此采用双辉等离子表面冶金技术在钢铁表面渗Cr，使其形成均匀致密的Fe-Cr合金层。

Fe-Cr合金层虽能满足钢材在常温、低温环境中的使用要求，但是在中高温度下服役，其耐高温氧化性欠佳，仍有待提高。合金元素Al在高温环境下形成的致密的Al₂O₃氧化膜，可有效隔绝外界氧气，对于提高材料的耐高温氧化性是及其有益的；同时Al加入至Fe-Cr合金层中所形成的Fe-Al-Cr化合物是一种韧性、塑性良好的金属间化合物。但是采用双辉等离子表面冶金技术难以进行渗Al操作，这是由于Al熔点较低，易发生反溅射现象，使得Al无法沉积在基体表面。

发明内容

本发明解决的技术问题是采用双辉等离子表面冶金技术渗Al，易发生反溅射现象，使得Al无法沉积在基体表面，因而难以进行渗Al操作。

为解决以上技术问题，本发明提供了一种钢材表面双辉渗Cr后离子注Al制备复合涂层的方法。利用双辉等离子表面冶金技术和离子注入技术，分步在钢铁表面渗Cr再注Al，成功制备出一种具有优异耐磨损、耐腐蚀和耐高温氧化的复合涂层，具体步骤如下：

步骤1：首先对钢材表面进行研磨、抛光，经超声清洗后烘干；

步骤2：采用双辉等离子表面冶金技术在钢铁表面渗Cr；

步骤3：采用离子注入的方法注Al；

步骤4：均质处理。

其中，步骤1中所述的抛光为对钢材表面进行抛光至1000#~1200#，所述的超声清洗选用的清洗剂为乙醇：丙酮=3:1~4:1。

其中，步骤2中采用双辉等离子表面冶金技术在钢铁表面渗Cr，具体操作如下：

（1）第一步：将钢材和靶材装入双辉等离子表面冶金渗金属炉内，以钢材为工件极，以Fe-Cr合金靶材为源极，其中Fe：60~70%，Cr：30~40%，调节两极之间的间距为15 mm ~25mm；

（2）第二步：对双辉等离子表面冶金渗金属炉进行抽真空至气压为0.2 Pa ~1.0Pa，通入氩气，启动辉光，控制源极电压为800 V ~950V，工件电压为450 V ~550V，工作气压为30 Pa ~40Pa，工作时间为2 h ~4h；

（3）第三步：停止辉光，断电，完成钢铁表面渗Cr。

其中，步骤3中采用离子注入的方法注Al，具体操作如下：

（1）第一步：将步骤2中所得的表面渗Cr的钢铁试样放入离子注入机的真空室内，抽真空至1.0×10^-3 Pa ~2.0×10^-3Pa；

（2）第二步：设定离子注入机的加速电压为50kV ~80kV，离子流密度为10μA/cm²~30μA/cm²；

（3）第三步：选用99.99wt%的纯Al作为源极进行离子注Al，控制Al离子注入剂量2.0×10¹⁷ ion/cm²~6.0×10¹⁷ ion/cm²，注入入射角30°~45°，注入时间30 min ~60min。

其中，步骤4中所述的均质处理，是将上述制备所得复合涂层放入真空炉进行退火处理，退火温度300℃~400℃，退火时间2 h ~3h。

本发明还提供了采用以上方法制备所得的复合涂层，所述的复合涂层中自表及里Fe、Cr呈梯度分布，Al呈高斯分布；在距复合涂层表面1μm~1.5μm处Al含量达到最大值。

离子注入技术是一种低温表面处理技术，可很好得规避双辉等离子表面冶金技术中Al的反溅射问题。该技术的原理是：离子在几十kV的高压电场加速下，以很高的能量注入到工件表面以下某一深度，达到表面层强化和改性的目的。其特点在于：工作温度低；可重复性好；能够精确控制注入合金元素的浓度分布和注入深度；注入合金原子纯度高。采用该技术在上述已采用双辉渗Cr制备所得Fe-Cr涂层基础上，进行注Al表面改性，可实现按照预期理想设计，Al呈高斯分布于涂层的表面（1μm ~1.5μm），形成内部硬度高、外部韧性好，且兼具优异的耐磨损、耐腐蚀和耐高温氧化性的复合涂层。最终实现改善钢材表面性能，扩大其使用范围，延长其使用寿命，并达到节约能源资源、降低成本的目的。

本发明的优点在于，充分利用且有效结合了双辉等离子表面冶金技术和离子注入技术的特点，使得涂层与基体间为冶金结合，且可按照预期设计调控合金元素的分布与含量。最终实现了对钢铁表面的改性处理，提高了钢铁的综合性能，扩大其使用范围，延长其使用寿命，并达到节约能源资源、降低成本的目的。该种涂层有望在我国航空航天、化工能源等领域应用，例如可用于飞机发动机、压力容器等关键部件中。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例1是在以下实施条件和技术要求下实施的：

首先对低碳钢Q235表面进行研磨，抛光至1000#，选用乙醇：丙酮=3:1为清洗剂进行超声清洗后烘干；

再采用双辉等离子表面冶金技术在低碳钢Q235表面渗Cr。其中源极成分为Fe-Cr合金，其中Fe：60%，Cr：40%，源极和工件极之间间距为15mm，抽真空至气压为0.2Pa，通入氩气，启动辉光，控制源极电压为800V，工件电压为450V，工作气压为30Pa，工作时间为2h；

然后采用离子注入的方法注Al。将上述所得表面渗Cr的低碳钢Q235和99.99wt%的纯Al放入离子注入机的真空室内，抽真空至1.0×10^-3 Pa；设定电压能量50kV，离子流密度10μA/cm²；控制Al离子注入剂量2.0×10¹⁷ion/cm²，注入入射角30°，注入时间30min。

最后进行均质处理，即将上述制备所得复合涂层放入真空炉进行退火处理，退火温度300℃，退火时间2h，完成涂层的制备。

 对制备所得复合涂层进行相关性能进行测试，其表面硬度为710 HV_0.1 ；在载荷为530g的条件下测试其耐磨性，比磨损率为0.1758×10^-3mm³·N^-1·m^-1，为基体的1/4；在3.5%NaCl溶液体系中，其自腐蚀电位E_corr和自腐蚀电流密度i_corr为-0.348V和1.245×10^-3A/cm²；在500 °C环境中经100h氧化后，复合涂层的增重为1.92mg/cm²，仅为基体的1/4。

实施例2

本实施例2是在以下实施条件和技术要求下实施的：

首先对45#钢表面进行研磨，抛光至1200#，选用乙醇：丙酮=4：1为清洗剂进行超声清洗后烘干；

再采用双辉等离子表面冶金技术在45#钢表面渗Cr。其中源极成分为Fe-Cr合金，其中Fe：70%，Cr：30%，源极和工件极之间间距为25mm，抽真空至气压为1.0Pa，通入氩气，启动辉光，控制源极电压为950V，工件电压为550V，工作气压为40Pa，工作时间为4h；

然后采用离子注入的方法注Al。将上述所得表面渗Cr的45#钢和99.99wt%的纯Al放入离子注入机的真空室内，抽真空至2.0×10^-3 Pa；设定电压能量80 kV，离子流密度30μA/cm²；控制Al离子注入剂量6.0×10¹⁷ion/cm²，注入入射角45°，注入时间60min。

最后进行均质处理，即将上述制备所得复合涂层放入真空炉进行退火处理，退火温度400℃，退火时间3h，完成涂层的制备。

对制备所得复合涂层进行相关性能进行测试，其表面硬度为753 HV_0.1 ；在载荷为530g的条件下测试其耐磨性，比磨损率为0.1828×10^-3mm³·N^-1·m^-1，为基体的1/3；在3.5%NaCl溶液体系中，其自腐蚀电位E_corr和自腐蚀电流密度i_corr为-0.238V和1.012×10^-3A/cm²；在500 °C环境中经100h氧化后，复合涂层的增重为1.53mg/cm²，仅为基体的1/5。

实施例3

本实施例3是在以下实施条件和技术要求下实施的：

首先对T8钢表面进行研磨，抛光至1100#，选用乙醇：丙酮=3.5：1为清洗剂进行超声清洗后烘干；

再采用双辉等离子表面冶金技术在T8钢表面渗Cr。其中源极成分为Fe-Cr合金，其中Fe：65%，Cr：35%，源极和工件极之间间距为20mm，抽真空至气压为0.8Pa，通入氩气，启动辉光，控制源极电压为900V，工件电压为500V，工作气压为35Pa，工作时间为3h；

然后采用离子注入的方法注Al。将上述所得表面渗Cr的T8钢和99.99wt%的纯Al放入离子注入机的真空室内，抽真空至1.5×10^-3 Pa；设定电压能量65 kV，离子流密度20μA/cm²；控制Al离子注入剂量4.0×10¹⁷ion/cm²，注入入射角40°，注入时间45min。

最后进行均质处理，即将上述制备所得复合涂层放入真空炉进行退火处理，退火温度350℃，退火时间2.5h，完成涂层的制备。

对制备所得复合涂层进行相关性能进行测试，其表面硬度为789 HV_0.1 ；在载荷为530g的条件下测试其耐磨性，比磨损率为0.1326×10^-3mm³/N^-1·m^-1，为基体的1/5；在3.5%NaCl溶液体系中，其自腐蚀电位E_corr和自腐蚀电流密度i_corr为-0.118V和1.002×10^-3A/cm²；在500 °C环境中经100h氧化后，复合涂层的增重为1.42mg/cm²，仅为基体的1/6。